Живой клетке приходится не только расщеплять химические вещества с целью получения энергии, но и синтезировать их. Метаболические пути синтеза тех или иных веществ отличаются от путей их распада. При этом далеко не всегда это различие касается всех реакций, иногда обратимые реакции служат для обеспечения синтеза и распада веществ, а вот необратимые стадии клетке приходится обходить другими метаболическими путями. Рассмотрим в качестве примера синтез глюкозы из молочной кислоты – глюконеогенез.

Большинство реакций этого процесса совпадают с реакциями гликолиза – метаболического пути расщепления глюкозы (см. урок 10). Однако три необратимых реакции гликолиза невозможно запустить обратно, в сторону образования глюкозы, и вместо них в глюконеогенезе появляются другие пути. Напомним, что в гликолизе необратимыми были превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат, превращение фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат и превращение фосфоенолпирувата в пируват.

Особенно сложно провести реакцию, обратную последней, – превратить пируват в фосфоенолпируват. Эта реакция требует очень много энергии, и для ее проведения приходится использовать метаболические пути не только цитозоля, но и митохондрии. Если гликолиз протекал исключительно в цитозоле, то глюконеогенез сопровождается перемещением метаболитов между цитозолем и митохондрией. Первая реакция – образование пирувата из лактата – представляет собой обращенную реакцию гликолиза, она катализируется той же лактатдегидрогеназой.

Затем образовавшийся пируват переносится в митохондрию и подвергается там карбоксилированию – присоединению углекислоты (2-я реакция). Ферменту пируваткарбоксилазе, превращающему пируват в оксалоацетат, необходим для работы кофермент биотин – витамин Н. Образующийся в ходе реакции карбоксибиотин обладает довольно высокой энергией гидролиза (см. урок 9) и может легко карбоксилировать другие молекулы (в данном случае пируват). В ходе реакции расходуется молекула АТФ.

На следующей стадии (3-я реакция) оксалоацетат восстанавливается до малата. Эта реакция обратна соответствующей реакции цикла Кребса, она катализируется тем же ферментом малатдегидрогеназой.

Образующийся малат выходит из митохондрий в цитоплазму и там снова окисляется до оксалоацетата уже другой, цитоплазматической малатдегидрогеназой (4-я реакция).

Наконец, этот цитоплазматический оксалоацетат превращается в фосфоенолпируват с затратой макроэргической связи ГТФ (5-я реакция).

Дальнейшие 6 реакций глюконеогенеза представляют собой пущенные в обратную сторону реакции гликолиза – вплоть до образования фруктозо-1,6-дифосфата в результате обращения альдолазной реакции.

Фосфофруктокиназная реакция гликолиза практически необратима, вместо нее в глюконеогенезе приходится использовать другую реакцию – фруктозо-1,6-дифосфатазную (12-я реакция). В ходе нее происходит простой гидролиз фруктозо-1,6-дифосфатата до фруктозо-6-фосфата, никакого синтеза АТФ здесь нет. Реакцию катализирует фермент фруктозо-1,6-дифосфатаза.

Фруктозо-6-фосфат легко превращается в глюкозо-6-фосфат (13-я реакция), а вот первую реакцию гликолиза – гексокиназную – опять приходится обходить. Глюкозо-6-фосфат гидролизуется до глюкозы без выигрыша АТФ ферментом глюкозо-6-фосфатазой (14-я реакция). Этот фермент расположен на мембране эндоплазматической сети.

В итоге синтез 1 молекулы глюкозы из молочной кислоты требует затраты 6 макроэргических связей (как вы помните, при гликолизе 1 молекулы глюкозы образовывалось только 2 макроэргических связи).

Глюконеогенез активно идет в печени. Мы уже говорили на уроке 9, что спортсмены пробегают стайерские дистанции в основном на энергии гликолиза. Возникает вопрос – откуда же они берут столько глюкозы? Ведь анаэробный гликолиз энергетически маловыгоден – он дает всего лишь два моля АТФ на моль глюкозы, и вся глюкоза в организме бегунов должна быстро превратиться в молочную кислоту. Дело в том, что в печени этих спортсменов происходит синтез глюкозы из молочной кислоты, а энергию для этого синтеза дает β-окисление жирных кислот. Глюкоза и молочная кислота циклически переходят друг в друга: в мышцах глюкоза расщепляется до лактата с выделением энергии, а кровеносная система переносит лактат в печень. В печени из молочной кислоты синтезируется глюкоза, которая кровотоком опять переносится к скелетной мышце, снова обеспечивая энергией мышечное сокращение.

В скелетной мышце также есть все ферменты глюконеогенеза, кроме последнего – глюкозо-6-фосфатазы. Дело в том, что мышце нужно синтезировать глюкозу исключительно для собственных нужд, а не на экспорт, как печени. Когда мышца не сокращается, она восполняет свой энергетический запас. Происходит синтез из молочной кислоты глюкозо-6-фосфата, а затем из этого соединения образуется гликоген. Он служит запасным источником углеводов в мышце (почему глюкозу лучше запасать в виде полимера, мы рассматривали на уроке 3).

Глюконеогенез регулируется сразу несколькими различными способами. Этот процесс протекает лишь тогда, когда клетка богата энергией. Пируваткарбоксилаза (реакция 2) аллостерически активируется ацетил-коэнзимом А и угнетается АДФ. Значит, эта реакция пойдет только при высокой концентрации АТФ (во-первых, АДФ мало, когда АТФ много; во вторых, если накапливается ацетил-КоА, то пируватдегидрогеназа малоактивна, а это бывает при высоких концентрациях НАД∙Н и АТФ – см. урок 11). Во-вторых, малатдегидрогеназная реакция цикла Кребса (реакция 3) идет в обратную сторону только при высокой концентрации НАД∙Н. В-третьих, фруктозо-1,6-дифосфатаза (реакция 12) угнетается АМФ, а это соединение накапливается в клетке лишь при низкой концентрации АТФ. Этот фермент считается ключевым ферментом глюконеогенеза.

Еще одним примером анаболических процессов может служить синтез жирных кислот. Этот метаболический путь существенно отличается от β-окисления, он и пространственно протекает в другой органелле – в цитозоле, а не в митохондриях.

Казалось бы, для синтеза жирных кислот очень удобно использовать ацетил-коэнзим А, образующийся при окислении пирувата в митохондриях (см. урок 11). Но дело в том, что этот ацетил-КоА не может проникнуть через митохондриальную мембрану – для него нет специальных переносчиков. Поэтому в процессе синтеза жирных кислот ацетил-КоА сперва конденсируется с оксалоацетатом, образуя цитрат (цитратсинтазная реакция из цикла Кребса). Для цитрата есть переносчик на мембране митохондрий, он выходит в цитозоль, и расщепляется там до оксалоацетата и ацетил-КоА ферментом АТФ-цитрат-лиазой.

Для присоединения двухуглеродных фрагментов в процессе синтеза жирных кислот используется не ацетил-КоА, а его карбоксилированная форма – малонил-коэнзим А, она содержит дополнительный запас энергии. Для карбоксилирования необходим гидролиз молекулы АТФ. В активном центре фермента, осуществляющего эту реакцию, – ацетил-КоА-карбоксилазы – содержится биотин (витамин Н).

Затем ацетил-КоА и малонил-КоА поступают на фермент синтазу жирных кислот – сложный комплекс, состоящий из нескольких полипептидных цепей. Ацетильный и малонильный остатки ковалентно связываются с различными химическими группами фермента (напомним, что при β-окислении ацил-КоА ни с чем ковалентно не связывался). Синтез жирных кислот – сложный процесс, мы укажем лишь некоторые его особенности.

На первом этапе происходит конденсация ацетильного и малонильного остатков с образованием четырехуглеродного соединения. При этом происходит декарбоксилирование малонильного остатка, что сдвигает равновесие слева направо. Карбоксильная группа была присоединена к ацетил-КоА за счет энергии АТФ, и вот теперь эта энергия служит для сдвига равновесия в реакции конденсации. Сравнив эту реакцию со стадией 4 β-окисления (см. урок 11), мы увидим, что при β-окислении отщеплялся двухуглеродный фрагмент без карбоксильной группы, и реакция была обратимой.

На втором этапе протекает восстановление кетогруппы четырехуглеродного фрагмента до спиртовой. Однако восстановителем служит не НАД∙Н (вспомним, что для β-окисления использовался НАД⁺), а НАДФ∙Н – в клетке это вещество обладает лучшей восстановительной способностью, чем НАД∙Н или ФАД∙Н₂, в энергетическом плане оно является более ценным.

Третий этап – дегидратация – похож на пущенную в обратную сторону 2-ю реакцию из β-окисления.

Наконец, четвертый этап – восстановление двойной связи – так же требует НАДФ∙Н, как и второй.

Затем к ферменту подходит новая молекула малонил-коэнзима А, и цикл повторяется снова, жирная кислота удлинится еще на два углерода и так далее. Как только длина цепочки достигнет 16 углеродных атомов, образовавшаяся пальмитиновая кислота освобождается из фермента.

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты можно написать так:

Заметим, что синтез жирных кислот требует для своего проведения больше энергии, чем выделяется при их окислении. Во-первых, для выхода ацетил-КоА из митохондрии нужен расход АТФ (АТФ-цитрат-лиазная реакция). Во-вторых, для образования малонил-КоА из ацетил-КоА тоже требуется АТФ, так что для синтеза одной молекулы пальмитиновой кислоты из митохондриального ацетил-КоА придется затратить 15 молекул АТФ. Наконец, реакции удлинения цепочки требуют расхода более ценного восстановителя НАДФ∙Н.

Синтез жирных кислот регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Ключевой фермент этого метаболического пути, ацетил-КоА-карбоксилаза, аллостерически ингибируется конечным продуктом синтеза – пальмитоил-коэнзимом А. Синтез жирных кислот можно вести только тогда, когда клетка богата энергией. Все та же ацетил-КоА-карбоксилаза при высоких концентрациях АМФ ингибируется, а АТФ – активируется, правда, более сложным путем – через фосфорилирование.

В организме млекопитающих пальмитиновая кислота служит источником для синтеза целого ряда других жирных кислот – как насыщенных, так и ненасыщенных. Однако отнюдь не все необходимые жирные кислоты могут синтезироваться в организме человека. Некоторые полиненасыщенные кислоты, например, линолевую, α-линоленовую и арахидоновую, человек должен получать с пищей, это незаменимые жирные кислоты. Они содержатся в большом количестве в растительных маслах.

В организме человека глюкоза может превращаться в жирные кислоты. Образующийся в процессе метаболизма глюкозы ацетил-коэнзим. А может служить источником синтеза углеводородной цепочки жирных кислот. Из-за этого и развивается ожирение при потреблении большого количества мучной пищи. В то же время жирные кислоты в организме животных не могут превращаться в глюкозу, поскольку она не может синтезироваться из продукта β-окисления ацетил-коэнзима А (в растительных клетках есть специальный метаболический путь – глиоксилатный шунт – позволяющий синтезировать углеводы из жирных кислот).

Многие аминокислоты в организме человека не могут синтезироваться из других соединений, они должны поступать с пищей. Их называют незаменимыми аминокислотами. К ним принадлежат валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. В связи с этим очевидно, что белки представляют собой наиболее ценные в биохимическом смысле питательные вещества.

Метаболические пути синтеза и распада иногда разделены в клетке пространственно – например, β-окисление жирных кислот идет в митохондриях, а синтез жирных кислот в цитозоле, – но часто они протекают в одной органелле, как гликолиз и глюконеогенез. Когда два противоположно направленных процесса протекают в одном месте, возникает опасность возникновения холостых циклов затрат энергии. В самом деле, если одновременно станут идти и гликолиз, и глюконеогенез, то энергия будет просто рассеиваться в виде тепла. Для того чтобы этого избежать, прямой и обратный процесс регулируются противоположным образом.

Гликолиз – процесс, служащий для синтеза АТФ, и этот макроэрг ингибирует его по принципу отрицательной обратной связи – фосфофруктокиназа и пируваткиназа аллостерически угнетаются АТФ (см. урок 10).

Ферменты глюконеогенеза (пируваткиназа и фруктозо-1,6-дифосфатаза), наоборот, ингибируются АДФ и АМФ, соответственно, – когда в клетке много АДФ и АМФ, и мало АТФ, она испытывает энергетический голод, и тут уж не до синтеза глюкозы. Значит, при хорошей энергообеспеченности клетка проводит глюконеогенез, гликолиз при этом угнетается высокими концентрациями АТФ. Ну а при энергетическом голодании, наоборот, активируется гликолиз, а глюконеогенез тормозится, такая система регуляции предотвращает холостые циклы.

В метаболизме жирных кислот возникновение холостых циклов предотвращается проще, благодаря пространственному разделению окисления и синтеза. А если необходим синтез жирных кислот, то активируется ключевой фермент этого синтеза – ацетил-КоА-карбоксилаза. Ее продукт – малонил-коэнзим А – ингибирует переносчик жирных кислот через мембрану митохондрий, что останавливает β-окисление ввиду отсутствия субстрата.

Имеются механизмы, обеспечивающие согласование различных метаболических путей в клетке. Например, при наличии в качестве источника энергии одновременно и глюкозы, и жирных кислот выгоднее использовать жирные кислоты, поскольку, во-первых, в процессе их распада выделяется больше энергии, чем для глюкозы, а во-вторых, из глюкозы можно синтезировать жирные кислоты, а из жирных кислот глюкозу – нельзя. Ключевой фермент гликолиза фосфофруктокиназа, а также пируватдегидрогеназа ингибируются жирными кислотами, тем самым останавливая гликолиз в присутствии другого источника энергии.

В многоклеточном организме клетка обязана регулировать свой обмен веществ не только исходя из собственного благополучия, но и подчиняясь сигналам извне – от нервной и гуморальной систем регуляции. Важнейшими интеграторами деятельности клеток в организме являются гормоны. Гормоны стресса – адреналин и глюкокортикоиды – мобилизуют организм на борьбу или бегство. Для этого скелетные мышцы должны быть обеспечены глюкозой, поэтому данные гормоны тормозят гликолиз и активируют глюконеогенез в печени. Инсулин же наоборот должен понижать концентрацию глюкозы в крови, он активирует процесс гликолиза.

Еще одним примером анаболического процесса может служить фотосинтез. Это процесс планетарного значения: благодаря нему ежегодно образуется 150 миллиардов тонн органического вещества и 200 миллиардов тонн свободного кислорода. Все животные, включая человека, живут на Земле исключительно благодаря фотосинтезу – он дает нам органические вещества для питания, и он же обеспечивает нас кислородом, необходимым для дыхания.

Мы уже говорили на уроке 12, что фотосинтез включает две стадии: темновую и световую. В ходе световой в хлоропластах синтезируется АТФ и НАДФ∙Н, которые затем используются в темновой стадии для превращения углекислоты в глюкозу.

Схематически темновую стадию можно представить следующим образом:

Темновая стадия представляет собой довольно сложную совокупность реакций превращения различных сахаров друг в друга, которая носит название цикл Кальвина. Мы не будем рассматривать ее детально, укажем лишь несколько особенностей.

Первой реакцией цикла является фиксация углекислоты. Фермент рибулозо-дифосфат-карбоксилаза присоединяет СО₂ к пятиатомному сахару рибулозо-дифосфату, в результате чего образуется две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты – промежуточного метаболита гликолиза и глюконеогенеза.

Этот фермент расположен на мембранах тилакоидов, его активный центр обращен в строму хлоропласта. Он составляет более 16 % от всех белков хлоропластов и является самым распространенным ферментом на Земле. Активность этого фермента возрастает при понижении рН. Напомним, что при освещении хлоропластов ионы Н⁺ закачиваются из стромы хлоропласты в полость тилакоида – именно так создается электрохимический потенциал у растений. Таким образом, темновая фаза фотосинтеза начнет работать только тогда, когда нормально работает световая фаза.

Затем 3-фосфоглицерат с помощью ферментов глюконеогенеза превращается в глицеральдегид-3-фосфат. Некоторая часть этого вещества превращается в глюкозу и/или в запасной полисахарид  крахмал, а остальное количество идет на регенерацию рибулозо-дифосфата, чтобы связать следующие молекулы углекислоты.

Фотосинтезирующие организмы могут использовать СО₂ в качестве единственного источника углерода для получения необходимых им органических соединений, тогда как гетеротрофы – животные, грибы и многие протисты и бактерии – должны получать органические вещества с пищей. Но есть еще и микроорганизмы–хемосинтетики, не способные усваивать энергию света, но тем не менее синтезирующие свои органические вещества из СО₂. Они получают НАДФ∙Н и АТФ за счет окисления различных неорганических веществ.

Реакции, составляющие основу их обмена веществ, различны у разных видов бактерий. Из аэробных хемосинтетиков водородные бактерии, распространенные в почве и водоемах, используют энергию окисления водорода, а тионовые бактерии окисляют соединения серы до сульфатов. Некоторые нитрифицирующие бактерии добывают энергию, окисляя аммиак до нитритов, другие «подхватывают эстафету», окисляя нитриты до нитратов (они играют важнейшую роль в круговороте азота в природе, завершая минерализацию азота из органических остатков).

Из анаэробных хемосинтетиков метанобразующие бактерии живут, восстанавливая до метана такие соединения, как углекислый газ, окись углерода, метанол, муравьиную и уксусную кислоты. Восстановителем служит водород. Эти бактерии образуют ежегодно до миллиарда тонн метана.